轎車用齒輪齒條動力轉向系設計

轎車用齒輪齒條動力轉向系設計,轎車,齒輪,齒條,動力,轉向,設計 轎車用齒輪齒條動力轉向系設計摘 要轉向系統是車輛上必不可少的最基本的系統之一。它對汽車轉向特性、駕駛舒適性、輪胎壽命等都有影響。它是汽車安全行駛的重要保障，也是車輛系統的一個重要組成部分?，F在轉向器的生產能力和產品質量如何已經成為衡量汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要標志之一。由于它對于整車行駛以及工業(yè)的重要性，因此汽車轉向系的設計顯得尤為重要。隨著科學技術的發(fā)展，人們研究出了利用附加動力裝置來減輕駕駛員轉動方向盤的操作力的轉向系統。主要的兩種助力方式為液壓式和電子式?，F代汽車轉向系基本都有轉向助力系統，從而使駕駛變得更加輕便。本次設計主要針對轎車用齒輪齒條動力轉向系進行相關設計計算，助力系統采用液壓助力。通過查閱相關資料，了解轎車用齒輪齒條動力轉向系的基本構造以及工作原理，確定設計所需要的汽車基本參數，包括軸距、輪距、最小轉彎半徑等。選定齒輪齒條轉向器的形式、轉向梯形的布置形式、液壓助力系統的布置形式。對齒輪齒條轉向器、液壓動力缸、動力分配閥以及轉向系操縱機構和傳動機構等零部件進行設計計算。并將最終得到的設計結果進行零件圖繪制和三維裝配。關鍵詞：轉向系統；液壓助力轉向系統；動力缸IABSTRACTThe steering system is one of the most basic systems on the vehicle. It has an impact on car steering characteristics, driving comfort, tire life and so on. It is an important guarantee for car safety driving, but also an important part of the vehicle system. Now the steering of the production capacity and product quality has become a measure of the level of development of the automotive industry is one of the important signs. Because of its importance for vehicle driving and industry, the design of the steering system is particularly important1.With the development of science and technology, people have developed a use of additional power devices to reduce the drivers steering wheel steering force of the steering system. Mainly divided into hydraulic power and electronic power in two forms. Modern cars are basically using power steering assistance system, so that the drivers steering operation becomes convenient and effort2.This design is mainly for the car with rack and pinion power steering system for related design and calculation, power system using hydraulic power. By consulting the relevant information, understand the basic structure and working principle of the power steering system of the car rack and pinion, and determine the basic parameters of the car, including the wheelbase, the wheelbase and the minimum turning radius. The form of the selected rack and pinion, the arrangement of the steering trapezoid, and the arrangement of the hydraulic power steering system. The design and calculation of gear and rack steering gear, hydraulic power cylinder, power distribution valve and steering system and transmission mechanism and so on. And will eventually get the design results of the relevant parts of the two-dimensional drawing and three-dimensional assembly.Key Words：The Steering System; Hydraulic Power Steering System；Steering Power Cylinder 54目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒論31.1概述31.2國內外研究現狀和未來發(fā)展趨勢31.3本次設計工作的意義52 動力轉向系設計方案的選擇62.1主要技術參數的選擇62.2液壓助力轉向系統的設計要求62.3轉向器結構形式與布置方案的選擇62.4液壓助力裝置布置形式的選擇72.5液壓助力裝置分配閥的選擇83 齒輪齒條轉向器設計計算103.1轉向器計算載荷的確定103.2轉向器的正、逆效率103.3作用在轉向盤上的手力113.4齒輪齒條設計與校核113.5齒輪軸的設計及校核153.6其他標準零件的選擇184 液壓助力系統設計計算204.1動力缸設計計算204.2控制閥設計計算224.4油泵的選擇244.5管路的設計245 轉向操縱機構和傳動機構設計265.1轉向操縱機構設計265.2轉向傳動機構設計286 結 論30參 考 文 獻31附錄1：外文翻譯32附錄2：外文原文36致 謝461 緒論1.1概述隨著經濟持續(xù)的快速發(fā)展，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅速。轉向系統作為核心部分之一，發(fā)展更是日新月異。據相關數據表明，國外很多轉向系統的生產廠商均能夠實現大規(guī)模、專業(yè)化地生產。與此同時，其銷售渠道更是廣泛，銷售網點遍及世界每個國家。轉向系統作為汽車核心部件之一，其生產規(guī)模及專業(yè)程度在一定程度上反映了汽車行業(yè)水準的高低。隨著汽車技術的發(fā)展，人們對汽車舒適性及操縱性的要求不斷提高。這些要求出現使得傳統的機械式轉向系統遠遠不能滿足設計的要求。因此，在一些高檔轎車及商用車上開始安裝由動力助力轉向的裝置。隨著動力助力轉向器的不斷發(fā)展，越來越多的汽車會加裝動力轉向器來提升汽車的檔次。目前，汽車上常用的轉向助力形式分為液壓、氣壓及電動助力。這三種助力形式均能使得汽車的操縱性大大提高，以極大地解放了人手。其中液壓助力轉向系統憑借工作可靠性高、工作原理簡單等優(yōu)勢得到了廣泛的使用。但是，此技術國內自主品牌的汽車制造商技術尚未成熟。因此，為了緊跟汽車行業(yè)發(fā)展的潮流，我國的自主品牌應十分注重對轉向系統技術的開發(fā)，轉向系統技術的不斷升級必然使得汽車檔次不斷提高，汽車品牌效應不斷強大，從而帶動我國汽車行業(yè)不斷發(fā)展。因此在本文中，對乘用車的液壓助力轉向系統進行設計具有十分重要的意義。1.2國內外研究現狀和未來發(fā)展趨勢作為汽車的一個重要組成部分，汽車轉向系統是決定汽車主動安全性的關鍵總成，如何設計汽車的轉向特性，使汽車具有良好的操縱性能，始終是各汽車生產廠家和科研機構的重要研究課題。特別是在車輛高速化、駕駛人員非職業(yè)化、車流密集化的今天，針對更多不同水平的駕駛人群，汽車的操縱設計顯得尤為重要。汽車轉向系統經歷了純機械式轉向系統、液壓助力轉向系統、電動助力轉向系統3個基本發(fā)展階段3。機械式的轉向系統，由于采用純粹的機械解決方案，為了產生足夠大的轉向扭矩需要使用大直徑的轉向盤，這樣一來，占用駕駛室的空間很大，整個機構顯得比較笨拙，駕駛員負擔較重，特別是重型汽車由于轉向阻力較大，單純靠駕駛員的轉向力很難實現轉向，這就大大限制了其使用范圍。但因結構簡單、工作可靠、造價低廉，目前在一部分轉向操縱力不大、對操控性能要求不高的微型轎車、農用車上仍有使用。液壓助力轉向系統(Hydraulic Power Steering, HPS)在1953年被通用汽車公司首次使用，此后該技術迅速發(fā)展，使得動力轉向系統在體積、功率消耗和價格等方面都取得了很大的進步。80年代后期，又出現了變減速比的液壓動力轉向系統。在接下來的數年內，動力轉向系統的技術革新差不多都是基于液壓轉向系統，比較有代表性的是變流量泵液壓動力轉向系統(Variable Displacement Power Steering Pump)和電動液壓助力轉向(Electric Hydraulic Power Steering，簡稱EHPS)系統。液壓助力轉向系統使駕駛室變得寬敞，布置更方便，降低了轉向操縱力，也使轉向系統更為靈敏4。由于該類轉向系統技術成熟、能提供大的轉向操縱助力，目前在部分乘用車、大部分商用車特別是重型車輛上廣泛應用。但是液壓助力轉向系統在系統布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面存在不足。電動助力轉向系統(Electric Power Steering, EPS)在日本最先獲得實際應用。1988年日本鈴木公司首次開發(fā)出一種全新的電子控制式電動助力轉向系統，并裝在其生產的Cervo車上，隨后又配備在Alto上。此后，電動助力轉向技術得到迅速發(fā)展，其應用范圍已經從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司，美國的Delphi公司，英國的Lucas公司，德國的ZF公司，都紛紛投入到EPS的研發(fā)中。EPS的助力形式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發(fā)展，并且其控制形式與功能也進一步加強。日本早期開發(fā)的EPS僅低速和停車時提供助力，高速時EPS將停止工作。新一代的EPS則不僅在低速和停車時提供助力，而且還能在高速時提高汽車的操縱穩(wěn)定性。隨著電子技術的發(fā)展，EPS技術日趨完善，并且其成本大幅度降低，為此其應用范圍將越來越大。助力轉向系統經過幾十年的發(fā)展，技術日趨完善。今后，EPS將進一步成熟，而線控轉向系統將成為未來的發(fā)展趨勢。目前轉向系統的研究方向主要是傳感器技術，助力電機和控制策略的研究5。另一方面，由于車輛是一個高耦合度復雜系統，單獨研究某一個或者某兩個系統，并不能使整個系統的綜合性能達到最優(yōu)，因此，隨著汽車主動安全系統的不斷推出，與其他系統之間的集成控制也逐漸成為轉向系統的另一個主要研究方向。隨著科技的進步和發(fā)展，轉向器未來的發(fā)展趨勢為：（1）適應汽車高速行駛的需要從操縱輕便性、穩(wěn)定性及安全行駛的角度，汽車制造廣泛使用更先進的工藝方法，使用變速比轉向器、高剛性轉向器?！白兯俦群透邉傂浴笔悄壳笆澜缟仙a的轉向器結構的方向。（2）充分考慮安全性和輕便性隨著汽車車速的提高，駕駛員和乘客的安全非常重要，目前國內外在許多汽車上已普遍增設能量吸收裝置，如防碰撞安全轉向柱、安全帶、安全氣囊等，并逐步推廣。從人類工程學的角度考慮操縱的輕便性，已逐步采用可調整的轉向管柱和動力轉向系統。（3）低成本、低油耗、大批量專業(yè)化生產隨著國際經濟形勢的惡化，石油危機造成經濟衰退，汽車生產愈來愈重視經濟型，因此，要設計低成本、低油耗的汽車和低成本、合理化生產線，盡量實現大批量專業(yè)化生產。對零部件生產，特別是轉向器的生產，更表現突出。（4）汽車轉向器裝置的電腦化汽車的轉向裝置，必定是以電腦化為唯一的發(fā)展途徑。1.3本次設計工作的意義轉向系統是車輛上必不可少的最基本的系統之一。轉向系統轉向特性對車輛的行駛操縱穩(wěn)定性、安全性起著決定性作用，也是汽車技術的核心之一。它是汽車安全行駛的重要保障，也是車輛系統的一個重要組成部分。現在轉向器的生產能力和產品質量如何已經成為衡量汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要標志之一。由于它對于整車行駛以及工業(yè)的重要性，因此汽車轉向系的設計顯得尤為重要。2 動力轉向系設計方案的選擇2.1主要技術參數的選擇本次設計主要針對嬌車的液壓助力轉向系統總成進行設計。根據奇瑞A3給出的官方參數，整理出設計所需要的設計參數如下表2.1所示。表2.1 設計所需的汽車基本參數最高車速175km/h發(fā)動機排量1.4L軸距2540mm車身高度1510mm外廓尺寸3850/1540/1510mm前后輪距1410/1465mm整車整備質量1805kg總質量2180kg滿載時前軸負荷53%最小轉彎半徑4.9m輪輞直徑16英寸2.2液壓助力轉向系統的設計要求液壓助力轉向機構設計應滿足以下要求6：（1）轉向盤的轉角與轉向輪的轉角呈一致性變化的規(guī)律；（2）保證轉向輪阻力和轉向盤手力的變化保持一致性；（3）助力轉向機構能夠輔助轉向盤自動修正；（4）靈敏度高，液壓系統響應較快；（5）助力裝置失效不能影響機械轉向系統的轉向效果。2.3轉向器結構形式與布置方案的選擇本次設計的轉向器類型為齒輪齒條式。齒輪齒條式轉向器有四種結構形式：中間輸入，兩端輸出、側面輸入，兩端輸出、側面輸入，兩端輸出、側面輸入，一端輸出。各種形式分別適用于不同的車輛布置形式7。本次設計選取側面輸入，兩端輸出的齒輪齒條轉向器，因為起結構更為簡單，且易于實現液壓助力。其結構如下圖2.1所示。 圖2.1 中間輸入，兩端輸出式轉向器側面輸入，兩端輸出式齒輪齒條轉向器的工作原理：齒輪齒條的嚙合位置處于側面位置，齒輪的旋轉運動通過與齒條的嚙合，進而轉換為齒條兩端的左右位移。通過轉向傳動機構將駕駛者的操縱意圖傳遞到左右車輪。根據齒輪齒條轉向器和轉向梯形相對于汽車前軸相對位置的不同，其在車輛上的布置形式分為四種：轉向器位于前軸后方，后置梯形；轉向器位于前軸后方，前置梯形；轉向器位于前軸前方，前置梯形；轉向器位于前軸前方，后置梯形。本次設計選用轉向器位于前軸后方，后置梯形的布置形式展開設計。其布置形式如下圖2.2所示。 圖2.2轉向器和轉向梯形布置形式2.4液壓助力裝置布置形式的選擇液壓助力裝置由液壓缸，分配閥，油箱，儲能器，油泵等幾大部分組成。根據液壓缸與機械式轉向器相對位置的不同，液壓助力轉向系的布置形式主要分為兩種8。轉向動力缸和機械轉向器成一組，然后再與轉向控制閥組在一起，這種組合稱之為整體式動力轉向器，如圖2.3所示。另一種方案是只將機械轉向器和轉向控制閥組合成一個部件，該部件稱為半整體式動力轉向器,如圖2.4所示，轉向動力缸則做成獨立部件。 圖2.3 整體式 圖2.4半整體式由于半整體式動力轉向器將分配閥與轉向系做成一個整體結構，更易于控制液壓助力系統總油路的換向工作，本次設計選用半整體式作為液壓助力裝置布置形式。2.5液壓助力裝置分配閥的選擇液壓助力裝置的分配閥分為轉閥式和滑閥式。本次設計選取轉閥式分配閥作為分配閥。其工作原理如下：閥套和閥芯上都加工有孔，閥套內腔和閥芯外表面加工油槽，形成三位四通閥。左轉時，閥芯會隨著方向盤的轉動而轉動，進而開啟相應的工作腔，實現助力作用，此時在助力作用下齒條移動帶動轉向小齒輪轉動，從而恢復閥芯與閥套之間的轉角，直到轉角減到0，不再有助力作用，轉向結束。圖2.5是一種三閥并聯式轉閥，其特點是進油口和出油口數較多，這樣可以在徑向尺寸一定的條件下，增大過流面積9。 圖2.5 轉閥助力原理小結：本章對轉向系設計所需的車輛參數進行了選定，同時對動力轉向系布置形式以及重要零部件的結構形式進行了選擇。結果如下：齒輪齒條轉向器采用側面輸入，兩端輸出的結構形式。布置方案為轉向器位于前軸后方，轉向梯形前置。液壓助力系統布置形式選取半整體式動力轉向器，分配閥為轉閥式。3 齒輪齒條轉向器設計計算3.1轉向器計算載荷的確定 為了保證行駛安全，組成轉向系的各零件應有足夠的強度。欲驗算轉向系零件的強度，需首先確定作用在各零件上的力。影響轉向器計算載荷的原因有很多，例如輪胎胎壓，路面情況，車輪穩(wěn)定阻力等，因此精確計算是十分困難的。根據足夠精確的半經驗公式計算汽車原地轉向阻力矩mm)，即： （3.1）式中：滑動摩擦因數，取0.7；轉向軸負荷（N），11319N ；（整備質量為2180kg，前軸負荷53%）；輪胎氣壓（MPa）,取0.24 Mpa。 3.2轉向器的正、逆效率不同結構參數的轉向器正效率各不相同。例如，轉向器中支撐齒輪軸或者螺桿軸的軸承因型號差異也能夠對正逆效率產生影響，采用滾針軸承支撐能使正或逆效率提高約10%。若不考慮軸承的摩擦和其它因素的影響，其正效率可表示為： （3.2）式中： 為導程角，本處取8；摩擦角，可用下式表示為： （3.3）式中： 摩擦因數，取0.03。將上述結果帶入公式（3.2）得： （3.4）若不計軸承摩擦及其他各因素的影響，則逆效率可用下式計算為： （3.5）轉向器的正效率越高，表明汽車轉向越輕便。逆效率越高轉向系路感回饋越好。3.3作用在轉向盤上的手力 （3.6）式中：轉向盤直徑；本次設計取305mm；轉向系的角傳動比；轎車取=14-22；貨車取=20-25。本次設計取20。 ； 轉向器的正效率；由公式（3.4）取75%。3.4齒輪齒條設計與校核3.4.1齒輪齒條設計要求：選取斜齒圓柱齒輪作為轉向器的主動齒輪。查閱汽車設計手冊，齒輪模數取值范圍多在23mm之間，主動小齒輪齒數多在57個齒范圍變化，壓力角為20，齒輪螺旋角取值范圍多為915，但現在制造工藝不斷進步，這些取值可以更加寬泛一些。小齒輪的制造材料為16MnCr5或15CrNi6，而齒條常采用45鋼制造。為減輕質量，殼體用鋁合金壓鑄。3.4.2齒輪齒條基本參數設計1）主動小齒輪參數選擇本課題設計采用主動小齒輪齒數z1=7，法向模數mn=2.5，螺旋角1=20.載荷系數 (3.7)式中：KA使用系數；K動載系數；K齒間載荷分布系數；K齒向載荷分布系數。依據機械設計，取KA=1.0，K=1.0，K=1.0，K=1.06.將上述參數代入公式（3.4），得K=1.272.校核接觸疲勞強度 (3.8)式中：彈性系數，MPa0.5；節(jié)點區(qū)域系數；重合度系；螺旋角系數。依據機械設計，取ZE=198MPa0.5，ZH=2.37，Z=0.92，Z=0.97.將上述參數代入公式（3.5），計算得 =1570.55MPa ，校核成功。校核齒根彎曲疲勞強度 (3.9)式中：Ysa應力修正系數；YFa齒形系數；Y重合度系數；Y螺旋角系數。 依據機械設計，取Ysa1 =1.97，Ysa2=1.97，YFa1 =2.41，YFa2 =2.06，Y=0.845，Y=0.83；輪齒雙向受力，取將上述參數帶入公式（3.6）得=281.82MPa，=282.48MPaP=74.57，故齒條軸桿為大柔度桿，歐拉公式適用。由壓桿穩(wěn)定理論，臨界壓力為： （3.16）安全系數n為： (3.17)將以上計算結果帶入公式（3.17）求得n=22，安全系數足夠大，齒條剛度足夠。3.5齒輪軸的設計及校核由于齒輪的基圓直徑17.37，數值較小，若齒輪與軸之間采用鍵連接必將對軸和齒輪的強度大大降低，因此，將其設計為齒輪軸由于主動小齒輪選用20MnCr5材料制造并經滲碳淬火，因此軸的材料也選用20MnCr5材料制造并經滲碳淬火查表得：20MnCr5材料的硬度為60HRC，抗拉強度極限，屈服極限，彎曲疲勞極限，剪切疲勞極限，轉速n=10r/min，許用切應力=50Mpa。根據公式（3.18）確定齒輪軸最小直徑 （3.18）式中：T1齒條軸所受轉矩,N.mm根據轉向盤上手力可計算得到。許用切應力，50Mpa。由于阻力矩為Mr=283.2N.m，根據力的分解，則齒輪上的軸向力為：F=12.64KN；作用在齒輪上的切向力為：F=34.74KN。1）彎曲疲勞強度校核F/34.74/3.14277MPa 符合彎曲疲勞強度要求。2）抗拉強度校核滿載時的阻力矩為Mr=283.2N.m由已經計算的結果可知齒輪軸的最小直徑為d=10mm，則其軸向抗拉強度為：F/=12.64/3.145=100MPaS，故a-a截面安全。齒輪軸設計符號要求。3.6其他標準零件的選擇（1）六角螺栓的選擇 根據GB5780-2000，螺紋規(guī)格d=M6，具體數據如下圖：（2）墊圈的選擇根據GB848-85,選擇的墊圈具體數據如下圖:（3）油封的選擇根據JB/ZQ4606-86和軸徑選取氈圈油封,主要參數如下:本次設計的轉向器采用人工定期潤滑，潤滑脂選擇石墨鈣基潤滑脂（ZBE36002-88）中的ZG-S潤滑脂。密封時選擇密封件為旋轉軸唇形密封圈，型號FB1630GB13871-1992。小結：本章對齒輪齒條轉向器的結構進行了設計計算，得出齒輪齒條的具體參數以及齒輪軸的基本尺寸，并對主要部件進行了強度校核。對標準連接件進行了選擇。最終裝配效果如下圖3.8所示。圖3.8轉向器二維裝配圖4 液壓助力系統設計計算4.1動力缸設計計算4.1.1液壓系統的額定壓力（公稱壓力）pn額定壓力是液壓缸能用以長期工作的壓力，根據機械設計手冊表21-1-1，選取推薦用額定壓力pn=10MPa，而一般情況下液壓缸的最高允許壓力pmax和工作壓力p應滿足： 1.5pnpmaxpnp (4.1)可取工作壓力p=9MPa。4.2.2液壓缸的總效率液壓缸的總效率分為：(1)機械效率：由活塞及活塞桿密封處的摩擦阻力所造成的摩擦損失，在額定壓力下，通常可??；本次設計去0.9。(2)容積效率：由各密封件泄漏所造成，通常取活塞密封為彈性材料時；(3)作用力效率：由排出口背壓所產生的反向作用力造成，當排油直接回油箱時可取。則液壓缸的總效率.液壓缸的理論作用力F： (4.2)式中：活塞桿上的實際作用力，；負載率，一般取，這里??； 液壓缸的總效率， 將上述參數代入公式（2.30），求得4.2.3缸筒內徑D缸筒內徑按照下式進行計算選取: (4.3)根據機械設計手冊表21-1-3和表21-1-4，選取d=28mm,D=40mm4.2.4缸筒壁厚缸筒壁厚為： (4.4)式中：計算壁厚，mm，當時，按照 ，這里,其中是缸筒材料的抗拉強度，選擇鋼管材料ZG310-570，則=570MPa，n為安全系數，通常取n=5,另外pmax=10MPa，則可以得到，故可取=3mm；c1缸筒外徑公差余量，0.25mm：c2腐蝕余量，0.25mm。最終取4.2.5活塞行程S活塞行程應按照齒條的極限行程來設計，取齒條的極限行程，即S=168mm。極限行程如圖4.1所示。 圖4.1 活塞極限行程 4.2.6最小導向長度導向長度過短，將使缸因配合間隙引起的初始撓度增大，影響液壓缸的工作性能和穩(wěn)定性，一般缸的最小導向長度應滿足： (4.5)將得出的記過帶入得：H28.4mm。導向套滑動面的長度A，在缸徑小于或等于80mm時，取A=(0.61.0)D=2440mm；活塞寬度取B=0.3D=12mm。4.2.7導向套的設計計算導向套作為動力缸的導向零件，起著十分重要的作用。其結構如下圖4.2所示。 圖4.2導向套結構圖其中導向套的長度可用下式計算： （4.6）式中： 活塞工作行程，本處為130mm；動力缸直徑，本處為50mm；將上述參數帶入公式(4.6)得： （4.7）取導向套長度H為20mm，則B=d/3=10mm，所以取B=10mm。4.2控制閥設計計算本次設計選取的油路換向閥為轉閥式。轉閥的主要參數包括預開隙的寬度、軸向長度、旋轉扭桿剛度等10。 (1) 預開隙：預開隙的大小影響液流的過流面積，也就是影響液流的阻力，即壓力損失。預開隙過小，使背壓過高；預開隙過大，操縱力矩增加。當沒有坡口的情況下，預開隙的突然關閉會導致壓力驟然上升，但這可以由坡口去有效解決。預開隙的寬度一般控制在方向盤單向空行程的23范圍，轉閥最大相對轉角是閥芯限位槽接觸時的位置，一般控制在單向68，閥口全關閉位置應在最大相對轉角的80%90%范圍內，這里取預開隙寬度為2，轉閥最大相對轉角為6，閥口全關閉位置在4.8處。2）軸向長度轉閥軸向長度指轉閥閥芯的長度，其值影響油路的空間布置，分配閥內部的旋轉阻力等。查閱相關資料，選取軸向長度為120mm。3）扭桿尺寸駕駛者的轉向意圖通過扭桿傳遞到分配閥，由扭桿控制分配閥的旋轉運動。扭桿剛度直接影響轉向操縱手力，當然影響轉向操縱手力的因素還有油壓、流量、轉發(fā)尺寸參數、閥芯轉動的摩擦力等，但這些參數的改變受到其他參數的約束，而扭桿剛度可直接調整手力的大小，調整相對容易。扭桿所受的扭矩M按照下式計算： (4.8)式中，M扭桿兩端作用力矩，Nmm；G扭桿切變模量，選擇扭桿材料為45CrNiMoVA，其切變模量G=76000MPa；d扭桿作用直徑，mm；L扭桿有效長度，mm；扭桿兩端相對轉角。在具體設計過程中，扭桿的長度取L=80.958mm，根據經驗，駕駛員作用在方向盤上的手力應在3050N，這里這里取，則作用在扭桿上的扭轉力矩。當時，轉閥達到最大油壓，這時扭桿的直徑應滿足 (4.9)取d=4mm，兩端采用圓柱銷分別與轉向小齒輪和閥芯連接，連接部分直徑為d0=6mm.4）限位機構閥芯與閥套之間設計有限位機構，當閥芯相對于閥套轉過一個小角度（這里取6）后，限位機構即起作用11。限位機構一方面可以保證扭桿不受破壞，另一方面是為了在助力失效的情況下提供方向盤與轉向輪的純機械連接。轉閥結構如下圖4.3所示。圖4.3 轉閥三維結構圖4.4油泵的選擇 由液壓元件手冊選擇葉片泵型號為YBD10,其主要參數有：排量10；額定壓力10；額定轉速1000,最高轉速2000r/min；驅動功率2.2；外形尺寸。4.5管路的設計油管的內徑d可按下式計算： （4.10）式中：Q通過管道的最大流量，即加力油缸所需工作油液的最大流量，L/min；v允許流速，m/s。推薦流速的許用值為：油泵吸入管：v1.0一1.5m/s；油泵排油管：v2.53.5m/s；回油管路：v小于3m/s；短管或局部收縮處：v5.0一5.5m/s。根據上述不同管路的流速要求，帶入公式（4.10）?？傻玫讲煌苈返闹睆椒謩e為：油泵吸入管內徑6mm；油泵排油管內徑：4mm；回油管路內徑4mm；短管或局部收縮處內徑：3mm。各油管長度根據實際空間布置要求提出。小結：本章設計了液壓助力系統進行了設計。主要包括液壓缸和換向閥的設計計算。油泵的選擇和管路的設計。液壓助力轉向系裝配圖如下圖4.4所示。圖4.4液壓助力系統二維裝配圖5 轉向操縱機構和傳動機構設計5.1轉向操縱機構設計連接轉向盤和轉向器的機構成為轉向操縱機構。轉向操縱機構結構方案取決于轉向器類型和布置，對于本課題設計的齒輪齒條式轉向器，只需要雙十字軸式萬向節(jié)傳動軸結構即可。其設計主要體現在轉向操縱機構空間角度布置。圖5.1轉向操縱機構結構示意圖雙十字軸式萬向節(jié)傳動軸結構如圖5.1所示，其中軸1為上轉向柱，軸2是指中間軸，軸3是指齒輪軸輸入端，為了分析空間角度布置，記軸1和軸2的夾角為；軸2和軸3的夾角為；軸2兩端萬向節(jié)相位角為；平面1和平面3的夾角為；其中，平面1和平面3的含義為：平面1軸1和軸2所形成的平面；平面3軸2和軸3所形成的平面。一般情況下，方向盤所連接的上轉向柱段需要根據汽車駕駛室內人機工程學的相關標準和要求進行設計和布置，而下轉向柱是直接與轉向器轉向閥的閥芯輸入端相連接，所以操縱機構的空間角度布置可以具體化為：首先確定轉向器和上轉向柱總成的布置，然后調整中間軸來使空間角度滿足力矩波動要求12。轉向操縱機構如下圖5.2所示。 圖5.2轉向系操縱機構1）上轉向柱布置方向盤距汽車對稱面的橫向距離可參考汽車設計圖1-25和表1-17，駕駛座座椅中心面至前門后支柱內側的距離一般為330390mm，折算到距汽車對稱面的橫向距離為392.5442.5mm，這里根據轉向器的位置布局，取402.5mm。方向盤距前軸的縱向距離可以參考圖5.3，取922mm。方向盤距前軸的垂直距離根據實車測量，取652mm。上轉向柱的布置角度參考汽車設計圖1-24和表1-16，一般取2035，這里參考相關車型，取30。圖5.3奇瑞A3和大眾速騰方向盤距前軸縱向距離2）轉向操縱機構空間角度布置確定好上轉向柱和轉向器的位置后，在CATIA裝配界面中，測量角度如圖5.3所示，軸1和軸2的夾角為，軸2和軸3的夾角為，平面1和平面3的夾角為。圖5.4轉向操縱機構空間角度3）力矩波動校核轉向操縱機構的雙十字軸式萬向節(jié)可以等效為一個等效單十字軸萬向節(jié)傳動機構，等效夾角為 (5.1)為了達到最佳的傳動性能，則希望等效夾角盡可能小，從上式（5.1）可以看出，當桅+胃=180擄時，等效夾角取得最小值，為 轉向管柱的力矩波動范圍是，即0.9541.048。為了達到一個較好的轉向盤手感，對轉向力矩的波動目標要求為5%，也就是波動范圍是0.951.05，可見轉向操縱機構空間角度布置符合力矩波動要求。故中間軸即軸2兩端萬向節(jié)相位角取為（也可理解為）。5.2轉向傳動機構設計低于采用齒輪齒條轉向器的轉向傳動機構，其構成為轉向節(jié)臂、轉向梯形臂、轉向橫拉桿等，齒條取代了轉向搖臂和轉向縱拉桿13。它們共同構成一個傳遞力和運動的傳動桿系，將駕駛者的意圖準確無誤的傳遞到左右車輪，使得車輛能按駕駛員的操縱行駛。因此，該桿系必須要保證一定的剛度和強度條件，一般采用模鍛加工制成，材料選取為中碳鋼或中碳合金鋼。轉向傳動機構的各元件間采用球形鉸接各傳動桿件之間采用球形鉸接，此種聯接方式不但能消除由于日常使用造成的磨損間隙，而且能傳遞桿件之間復雜的相對運動。球銷的制造材料選用12CrNi3A、18MnTi或20CrN14 。根據汽車設計書表7-4選取球頭直徑為22mm，工作表面經滲碳或淬火處理，增加起硬度，增加起耐磨性?；谏鲜鲈O計要求，并根據整車布置要求，轉向傳動機構各桿件的設計尺寸如下表4.1所示。 表4.1 傳動桿件設計參數轉向搖臂（mm）-轉向縱拉桿（mm）-轉向節(jié)臂（mm）140轉向梯形臂（mm）200轉向橫拉桿（mm）600液壓助力轉向系裝配效果如下所示： 6 結 論本次設計的主要內容：通過查找相關文獻了解轉向系的組成以及與設計相關的重要參數。了解齒輪齒條動力轉向系的分類與布置形式。通過查閱資料，確定設計轎車用齒輪齒條動力轉向系所需要的基本參數，例如軸距，輪距，汽車總質量等。利用擬定的基本設計參數，對齒輪齒條轉向器進行設計與重要部件的校核。分析液壓助力系統的工作原理與基本結構，根據要求選定液壓助力系統的布置形式并進行設計計算，包括液壓缸的尺寸，轉閥類型等。設計出與齒輪齒條轉向器相匹配的液壓助力系統后，根據空間布置要求，設計出轉向桿系的尺寸。最后繪制零件圖和裝配圖，完成設計說明書。通過本次對齒輪齒條動力轉向系的設計，使我對汽車轉向系統的組成和具體結構有了更為全面的了解。相信會對我以后的工作有很大的幫助。 參 考 文 獻1Johannes Hullmann,David James,Alois Seewald, Eduard Span,Alexander Wiertz.Mechanical and Hydraulic Gears.June 2016,Volume 46,Issue 3,pp249-337.2Jochen Gessat,Alois Swwwald,Dirk Zimmermann.Electrically Powered Hyraulic Steering.June 2016,Volume 65,Issue 1,pp381-401.3張興權,何廣德,鄭如,張俊.齒輪齒條的接觸應力研究J.機械傳動，2011,35(07):30-32.4何志峰.齒輪齒條式動力轉向器性能測試系統研究D.長春理工大學,2012.5吳曉建.齒輪齒條式轉向器機構轉向特性研究D.重慶汽車學院,2012.4管欣,吳振晞,詹軍.面向結構的汽車齒輪齒條式轉向器仿真模型J.設計計算研究，2011:9-12.6李晏,王瑾,徐皓,施偉,譚修文.汽車轉向器齒輪齒條的建模與仿真研究J.制造技術/工藝設備,2010,(12):73-94.7張錫順,石培吉,唐俊,于思佳.轉向器齒輪齒條傳動副的幾何和嚙合計算J.汽車工程師,2013,(12):51-55.8彭立,胥軍,牛子孺,李剛炎,顏志浩.機械式變比轉向器傳動比測試系統設計J.測控技術,2016,35(10):23-26.9徐方舟,魏小輝,張明,聶宏.基于ADAMS的齒輪齒條剛性柔耦合嚙合分析J.機械設計與制造,2012,(7):200-202.10夏貴光,劉海軍,陳家木.鋁合金整體式轉向器殼體鑄造工藝J.鑄造工藝,2015,(23):22-23.11李廣明,范秦寅,張廣麗.汽車動力轉向器油路分析及排油方法J.長春工業(yè)大學學報,2015,36(2):140-142.12鄒理炎,虞忠潮.汽車液壓動力轉向器特性分析及檢測系統研究J.工業(yè)技術,2016,(05):43.13黃華波.汽車轉向器傳動齒輪斷裂失效分析J.裝備制造技術,2013,(10):7-9.14Dirk Nissing,Jochen Gessat,Thilo Bitzer,Alois Seewald.Hydraulic chassis systems with electrically powered hydraulic steering and active roll control.March 2007,Volume 109,Issue 3,pp11-15.附錄1：外文翻譯有效的前轉向系統手輪轉矩的可靠控制主動前轉向（AFS）系統已經被用作一種有前途的技術，可以提高車輛的轉向便攜性和處理穩(wěn)定性。它采用轉向電機實現可變轉向比和車輛穩(wěn)定性控制的功能。然而，由于額外的轉向角度引起的手輪扭矩出現意想不到的嚴重問題。在本文中，基于線性輪胎模型設計了最佳手輪扭矩。考慮到轉向系統和車輛的不確定性和干擾，開發(fā)了一個H控制器，以確保手輪扭矩準確而快速地遵循參考轉矩。 仿真表明，所提出的控制器可以補償不自然的反作用力矩，為司機提供良好的轉向感。1介紹最近，主動前轉向（AFS）已經被開發(fā)為一種有前途的技術，可以提高車輛的轉向可移植性和交付穩(wěn)定性1,2。 與傳統的轉向系統相比，AFS系統采用行星齒輪組和電動馬達提供額外的轉向角。以這種方式，可以控制前輪角度以在危急情況下穩(wěn)定車輛。另一方面，由轉向馬達施加的附加轉向角將引起嚴重問題。由于手輪機械地連接到前輪，所以由附加轉向角產生的反作用轉矩將直接傳遞給駕駛員。這種不自然的扭矩不僅會加劇轉向舒適度，而且會干擾駕駛員的操作，從而影響車輛的穩(wěn)定性。為了解決這個問題，在以前的幾項研究中提出了不同的方法。 Minaki和Hori 3提出了一種基于駕駛員靈敏度的無功轉矩控制方法。該方法控制來自路面的反作用扭矩的增益和頻率，以防止轉向干擾，使駕駛員能夠安全地操作方向盤。但它需要準確測量反應轉矩。 本科畢業(yè)論文(設計)開題報告論 文 題 目：轎車用齒輪齒條動力轉向系設計學 院：專 業(yè) 、 班 級：學 生 姓 名：指導教師（職稱） 畢業(yè)論文（設計）開題報告要求開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質量畢業(yè)論文（設計）的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。一、選題依據1. 論文（設計）題目及研究領域；2. 論文（設計）工作的理論意義和應用價值；3. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢。二、論文（設計）研究的內容1.重點解決的問題；2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）；3. 本論文（設計）預期取得的成果。三、論文（設計）工作安排1. 擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數）；2. 論文（設計）進度計劃。四、文獻查閱及文獻綜述學生應根據所在學院及指導教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎上通過分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應在調研、實驗或實習的基礎上遞交相關的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎。五、其他要求1. 開題報告應在畢業(yè)論文（設計）工作開始后的前四周內完成；2. 開題報告必須經學院教學指導委員會審查通過；3. 開題報告不合格或沒有做開題報告的學生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論文（設計）工作，否則不允許參加答辯；4. 開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導教師；5. 開題報告的內容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據需要手寫在統一紙張上，但封面需按統一格式打?。?。8一、選題依據1、研究領域車輛工程-汽車設計2、論文（設計）工作的理論意義和應用價值轉向系統是車輛上必不可少的最基本的系統之一。轉向系統轉向特性對車輛的行駛操縱穩(wěn)定性、安全性起著決定性作用，是汽車技術的核心之一，其中轉向機構的設計決定著車輛的轉向系統特性，它對汽車轉向特性、駕駛舒適性、輪胎壽命等都有影響。因此，它是汽車安全行駛的重要保障，也是車輛系統的一個重要組成部分。現在轉向器的生產能力和產品質量如何已經成為衡量汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要標志之一。由于它對于整車行駛以及工業(yè)的重要性，因此汽車轉向系的設計顯得尤為重要。3、目前研究的概況和發(fā)展趨勢國際上，齒輪齒條轉向器經過近幾十年的發(fā)展和技術完善，已經使其能夠作為一種結構簡單，成本低廉，轉向靈敏，體積小，可以直接帶動橫拉桿的轉向機構而被廣泛的運用在車輛轉向系統中?，F如今的齒輪齒條轉向器的殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，轉向器的質量比較輕，結構緊湊，傳動效率高達 90%。齒輪與齒條之間因磨損出現間隙后，利用裝在齒條背部、靠近主動小齒輪處的壓緊力可以調節(jié)的彈簧，自動消除間隙，這不僅可以提高轉向系統的剛度，還可以防止工作時產生沖擊和噪聲。由于齒輪齒條式轉向器自身結構的發(fā)展，如采用新型的手動變速比和動力轉向，其使用范圍已從轎車、微型以及輕型汽車逐步擴展到中型和重型汽車轉向系。近年來，隨著電子技術在汽車中的廣泛應用，轉向系統中也越來越多地采用電子器件。使其操縱輕便性、穩(wěn)定性等得到了很大的改善。隨著科技的進步和發(fā)展，轉向器未來的發(fā)展趨勢為：（1） 適應汽車高速行駛的需要從操縱輕便性、穩(wěn)定性及安全行駛的角度，汽車制造廣泛使用更先進的工藝方法， 使用變速比轉向器、高剛性轉向器?！白兯俦群透邉傂浴笔悄壳笆澜缟仙a的轉向器結構的方向。（2） 充分考慮安全性和輕便性隨著汽車車速的提高，駕駛員和乘客的安全非常重要，目前國內外在許多汽車上已普遍增設能量吸收裝置，如防碰撞安全轉向柱、安全帶、安全氣囊等，并逐步推廣。從人類工程學的角度考慮操縱的輕便性，已逐步采用可調整的轉向管柱和動力轉向系統。（3） 低成本、低油耗、大批量專業(yè)化生產隨著國際經濟形勢的惡化，石油危機造成經濟衰退，汽車生產愈來愈重視經濟型， 因此，要設計低成本、低油耗的汽車和低成本、合理化生產線，盡量實現大批量專業(yè)化生產。對零部件生產，特別是轉向器的生產，更表現突出。（4） 汽車轉向器裝置的電腦化汽車的轉向裝置，必定是以電腦化為唯一的發(fā)展途徑。二、論文（設計）研究的內容1.重點解決的問題(1) 制定出轎車用齒輪齒條動力轉向系的總體設計方案，并對該方案進行評價； (2)對轎車用齒輪齒條動力轉向系方案中具體部件進行理論計算和校核；(3) 根據計算和校核結果對轎車用齒輪齒條動力轉向系進行結構設計并繪圖。2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）（1）查閱資料，了解做研究課題的研究意義、研究概況和發(fā)展趨勢； (2)制定出轎車用齒輪齒條式轉向器的總體設計方案，并對其進行評價； (3)轉向系的設計及參數確定；(4) 進行齒輪齒條式轉向器的設計與理論計算并校核； (5)根據計算和校核結果，利用 CAD 畫裝配圖、零件圖。3. 本論文（設計）預期取得的成果通過學習及查閱有關資料掌握轎車用齒輪齒條式動力轉向器的工作原理以及其機構的設計, 了解現在齒輪齒條式轉向器的發(fā)展趨勢、相關技術的對比及市場前景。通過自主設計并選擇最合理的方案設計能夠得到以下結果：(1) 轎車用齒輪齒條式動力轉向系的工作原理及總體方案設計；(2) 轎車用齒輪齒條動力轉向系的詳細結構設計；繪制不少于 1 張A0 的設計圖紙， 并用三維軟件繪制三維圖；(3) 設計說明書（10000 字以上）；(4) 與齒輪齒條式轉向器相關的一篇外文翻譯（2000 字以上）。三、論文（設計）工作安排1. 擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數）； (1)調查研究、收集資料；(2) 開題報告；(3) 轉向器結構形式選擇；(4) 轉向器的設計以及參數的確定（包括：間隙調整彈簧的設計計算、齒輪齒條轉向器的設計計算、其他主要零件的設計計算），校核；(5) 利用 CAD 畫裝配圖，零件圖； (6)整理文檔，形成論文。2. 論文（設計）進度計劃第 1 周：明確設計主要任務和內容；第 2 周：查閱相關資料；第 3 周：撰寫開題報告；第 4 周：完成畢設開題報告；第 5 周：擬定齒輪齒條動力轉向系結構方案設計；第 6 周：齒輪齒條動力轉向系結構設計；第 7 周：齒輪齒條動力轉向系結構設計；第 8 周：齒輪齒條動力轉向系主要部件校核；第 9 周：齒輪齒條動力轉向系主要部件校核；第 10 周：齒輪齒條動力轉向系圖紙繪制；第 11 周：齒輪齒條動力轉向系圖紙繪制；第 12 周：與齒輪齒條動力轉向系設計相關的外文文獻翻譯；第 13 周：撰寫畢業(yè)論文；第 14 周：撰寫畢業(yè)論文，整理畢業(yè)設計資料；第 15 周：準備畢業(yè)設計答辯；第 16 周：畢業(yè)設計答辯。四、需要閱讀的參考文獻1 張興權, 何廣德, 鄭如, 張俊. 齒輪齒條的接觸應力研究J. 機械傳動， 2011,35(07):30-32.2 何志峰.齒輪齒條式動力轉向器性能測試系統研究D.長春理工大學,2012. 3吳曉建.齒輪齒條式轉向器機構轉向特性研究D.重慶汽車學院,2012.4 管欣,吳振晞,詹軍.面向結構的汽車齒輪齒條式轉向器仿真模型J.設計 計算 研究，2011:9-12.5 李晏,王瑾,徐皓,施偉,譚修文.汽車轉向器齒輪齒條的建模與仿真研究J.制造技術/工藝設備,2010,(12):73-94.6 張錫順,石培吉,唐俊,于思佳.轉向器齒輪齒條傳動副的幾何和嚙合計算J.汽車工程師,2013,(12):51-55.7 彭立,胥軍,牛子孺,李剛炎,顏志浩.機械式變比轉向器傳動比測試系統設計J. 測控技術,2016,35(10):23-26.8 徐方舟,魏小輝,張明,聶宏.基于ADAMS 的齒輪齒條剛性柔耦合嚙合分析J.機械設計與制造,2012,(7):200-202.9 夏貴光, 劉海軍, 陳家木. 鋁合金整體式轉向器殼體鑄造工藝J. 鑄造工藝,2015,(23):22-23.10 李廣明,范秦寅,張廣麗.汽車動力轉向器油路分析及排油方法J.長春工業(yè)大學學報,2015,36(2):140-142.11 鄒理炎,虞忠潮.汽車液壓動力轉向器特性分析及檢測系統研究J.工業(yè)技術,2016,(05):43.12 黃華波.汽車轉向器傳動齒輪斷裂失效分析J.裝備制造技術,2013,(10):7-9. 13Johannes Hullmann,David James,Alois Seewald, Eduard Span,Alexander Wiertz.Mechanical and Hydraulic Gears.June 2016,Volume 46,Issue 3,pp249-337.14 Jochen Gessat,Alois Swwwald,Dirk Zimmermann.Electrically Powered Hyraulic Steering.June 2016,Volume 65,Issue 1,pp381-401.15 Dirk Nissing,Jochen Gessat,Thilo Bitzer,Alois Seewald.Hydraulic chassis systems with electrically powered hydraulic steering and active roll control.March 2007,Volume 109,Issue 3,pp11-15.附：文獻綜述文獻綜述隨著我國經濟的飛速發(fā)展，汽車成了很多家庭的必備代步工具，隨之而來的是， 越來越多的人都開始關注到汽車的性能，而汽車性能中最重要的就是安全性和舒適性。汽車的轉向系統轉向特性對車輛的行駛操縱穩(wěn)定性、安全性和舒適性起著決定性作用，是汽車技術的核心之一，其中轉向機構的設計決定著車輛的轉向系統特性，它對汽車轉向特性、駕駛舒適性、輪胎壽命等都有影響。轉向系統作為汽車底盤中的獨立分系統，在汽車技術發(fā)展的過程中也經歷了深刻的變革。汽車轉向系是保持或者改變汽車行駛方向的機構，在汽車轉向行駛中，保證各轉向輪之間有協調的轉角關系。保證汽車在行駛中能按駕駛員的操縱要求，適時地改變行駛方向，并能在受到路面干擾偏離行駛方向時，與行駛系配合，共同保持汽車穩(wěn)定地直線行駛。轉向系對汽車行駛的操縱性、穩(wěn)定性和安全性都具有重要的意義。齒輪齒條式轉向器具有結構簡單、緊湊，質量輕，剛性大，轉向靈敏，制造容易，成本低，正、逆效率都高以及便于布置等優(yōu)點。相比于其他轉向機構，齒輪齒條式轉向機構省略了轉向搖臂和轉向直拉桿，節(jié)省了布置空間，特別適合與燭式和麥弗遜式懸架配用，因此在轎車和微型、輕型貨車上得到廣泛應用，目前，齒輪齒條轉向器約占行業(yè) 60%，其中，轎車占 95%，微型車占 30%。齒輪齒條式轉向器最早出現于 1902 年，當時由于其本身結構不夠完善，整車布置的限制以及道路條件差等因素，導致路面反沖激勵，噪音較大以及轉向性能較差等缺陷，使得此種轉向器的應用受到很大的限制。然而近些年來，特別是最近幾年，卻有了很大發(fā)展，其發(fā)展速度超過循環(huán)球式轉向器，國際輿論甚至認為：目前汽車工業(yè)正在拋棄有 70 年歷史的搖臂型轉向器， 并預計近年內 90%以上的小客車將配置齒輪齒條式轉向器。這種看法的主要依據是：（1）國外大部分主要汽車在制造廠大規(guī)模地推薦橫置發(fā)動機、前輪驅動的小客車， 這樣對齒輪齒條式轉向器的轉向系的布置十分靈活方便，比搖臂式轉向器的傳動機構更為簡化。（2）高速公路發(fā)展使得車輛速度大大提高，為獲得良好的路感，對轉向器的剛性要求愈來愈高，而循環(huán)球式轉向器在剛性上遠遠不如齒輪齒條式轉向器。（3） 齒輪齒條式轉向器本身具備的優(yōu)點如結構簡單、成本低、高達 80%以上的傳動效率、具有多種輸入輸出形式便于布置、重量輕（轉向器殼多數采用壓鑄鋁合金、有的廠還在研制塑料殼體）、剛性好等等，能使高速車輛的駕駛者獲得良好路感。此外，由于齒輪齒條式轉向器自身結構的發(fā)展，如采用新型的手動變速比和動力轉向，其使用范圍已從轎車、微型以及輕型汽車逐步擴展到中型和重型汽車轉向系。因此，齒輪齒條式轉向器在我國的應用將會是十分廣泛的，制造企業(yè)對其的需求量必然很大，其前景相當可觀，研究其實現的方案也尤其有價值。國外研究：從1817年英國人林肯斯潘杰（Len Ken Sperger）發(fā)明現代轉向梯形機構到現在， 轉向系統因其在汽車中的重要作用而備受人們關注，一百多年間，眾多學者對它展開過研究，使得轉向系統到現在有了長足的發(fā)展。查閱國內外相關資料，人們在機構運動學、機構動力學和機電復合控制等理論研究、臺架試驗仿真以及新型轉向技術等方面都做了大量的研究。轉向機構動力學的研究主要借助多體動力學軟件進行運動學仿真，研究內容主要有：轉向機構操縱穩(wěn)定性，車輪定位對轉向性能的影響，懸架跳動對轉向性能的影響，載荷轉移對前輪轉向的影響，基于Adams的轉向機構研究等。轉向機構機電復合控制主要研究電、液助力轉向控制策略：液壓助力轉向轉閥特性；四輪轉向技術控制策略等。臺架試驗仿真研究是模擬汽車轉向實況，通過測試汽車轉向的關鍵參數驗證轉向機構的性能。目前國外MTS、BISHOP等公司已經有了五軸、七軸轉向試驗臺。而我國只有三軸轉向試驗臺。國內研究：我國現階段對汽車轉向系統的研究重點還在轉向器部件的生產質量控制上，而在系統層面上對轉向性能的研究很弱，這已經嚴重影響了我國轉向器技術的引進消化和自主開發(fā)。長期的生產實踐表明對轉向部件的質量控制必須建立在轉向系和前懸架組合的性能測試上，必須有轉向系性能參數的測試才能進入轉向部件的自主研發(fā)，否則， 對產品的質量就沒有話語權。由此，掌握轉向系各部分工作參數間的關系，進一步提高汽車轉向系的性能和質量，是滿足當前汽車行業(yè)發(fā)展和企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的迫切需 要。此外，現階段全世界年產70008000萬套轉向系統中，EPS占了將近一半，其裝車率逐年增加，預計將達到80%。在1000萬套汽車轉向系的國內市場上，外方產品的市場占有率達到了將近80%，我國還沒有掌握EPS的開發(fā)和試驗技術，主要是根據國外EPS產品進行仿制，很難滿足整車技術條件，無法進入全球配套系統。究其原因，表面上是無法掌握汽車轉向系統的控制策略，而深層次的原因就是沒有掌握轉向系統的運動特性和相關性能參數的檢測和評估，從而無法調試出性能優(yōu)越的產品。從 70 年代起轎車就興起了齒輪齒條轉向器，這種轉向機構由方向盤、轉向軸、萬向節(jié)、轉動軸、轉向器、轉向傳動桿和轉向輪等組成。方向盤操縱轉向器內的齒輪傳動，齒輪與齒條緊密嚙合，推動齒條左移動或右移動，帶動轉向輪擺動，從而改變轎車行駛的方向。這種轉向機構與循環(huán)球式等其它類型的轉向機構比較，省略了轉向搖臂和轉向主拉桿，具有構件簡單，傳動效率高的優(yōu)點。而且它的逆?zhèn)鲃有室哺撸?在車輛行駛時可以保證偏轉車輪的自動回正，駕駛者的路感性強。發(fā)展趨勢：近年來，隨著電子技術在汽車中的廣泛應用，轉向系統中也越來越多地采用電子器件。但目前電子轉向系統由于自身成本等因素的制約，很難在價格低廉的家用轎車上得到普及，而且電子轉向系統的安全可靠性相對較差，目前歐洲汽車法規(guī)中要求駕駛員與轉向車輪之間必須有機械連接，電子轉向系還不允許在歐洲上市。隨著科技發(fā)展和技術的完善，未來的電子技術在轉向系統中的應用會十分普遍。齒輪齒條式轉向器分兩端輸出式和中間（或單端）輸出式兩種。兩端輸出的齒輪齒條式轉向器，作為傳動副主動件的轉向齒輪軸通過軸承安裝在轉向器殼體中，其上端通過花鍵與萬向節(jié)叉和轉向軸連接。與轉向齒輪嚙合的轉向齒條水平布置，兩端通過球頭座與轉向橫拉桿相連。彈簧通過壓塊將齒條壓靠在齒輪上，保證無間隙嚙合。彈簧的預緊力可用調整螺塞調整。當轉動轉向盤時，轉向器齒輪轉動，使與之嚙合的齒條沿軸向移動，從而使左右橫拉桿帶動轉向節(jié)左右轉動，使轉向車輪偏轉，從而實現汽車轉向。中間輸出的齒輪齒條式轉向器，其結構及工作原理與兩端輸出的齒輪齒條式轉向器基本相同，不同之處在于它在轉向齒條的中部用螺栓與左右轉向橫拉桿相連。在單端輸出的齒輪齒條式轉向器上，齒條的一端通過內外托架與轉向橫拉桿相連。齒輪齒條方式的最大特點是剛性大，結構緊湊重量輕，且成本低。由于這種方式容易由車輪將反作用力傳至轉向盤，所以具有對路面狀態(tài)反應靈敏的優(yōu)點，但同時也容易產生打手和擺振等現象。齒輪與齒條直接嚙合，將齒輪的旋轉運動轉化為齒條的直線運動，使轉向拉桿橫向拉動車輪產生偏轉。齒輪并非單純的平齒輪，而是特殊的螺旋形狀，這是為了盡量減小齒輪與齒條之間的嚙合間隙，使轉向盤的微小轉動能夠傳遞到車輪，提高操作的靈敏性，也就是我們通常所說的減小方向盤的曠量。不過齒輪嚙合過緊也并非好事，它使得轉動轉向盤時的操作力過大，人會感到吃力。齒輪齒條式轉換器和循環(huán)球式轉換器，已成為當今世界汽車上主要的兩種轉向器：而渦輪蝸桿式轉向器和蝸桿肖式轉向器，正在逐步被淘汰或保留較小的地位。齒輪齒條式轉向器的主要優(yōu)點:結構簡單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成， 轉向器的質量比較?。粋鲃有矢哌_ 90%；齒輪與齒條之間因磨損出現間隙后，利用裝在齒條背部、靠近主動小齒輪處的壓緊力可以調節(jié)的彈簧，能自動消除間隙，這不僅可以提高轉向系統的剛度，還可以防止工作時產生沖擊和噪聲；轉向器占用體積小； 制造成本低。在現如今的汽車上，轉向系統是必不可少的最基本的系統之一，也是決定汽車主動安全性的關鍵總成，保持汽車具備較好的操縱性能，特別是在車輛高速化、駕駛人員非職業(yè)化、車流密集化的今天，汽車轉向系的設計工作顯得尤為重要。綜上，本次論文擬從以下幾點展開：（1）查閱資料，了解做研究課題的研究意義、研究概況和發(fā)展趨勢； (2)制定出轎車用齒輪齒條式轉向器的總體設計方案，并對其進行評價； (3)轉向系的設計及參數確定；(4)進行齒輪齒條式轉向器的設計與理論計算并校核； (5)根據計算和校核結果，利用 CAD 畫裝配圖、零件圖。